Radiator Radiatora

[zjj_wwa]

Pytanie do Szanownych Forumowiczów:

 

Dlaczego do Radiatora montuje się tranzystorki,

a nie np. ... radiatorki ?

 

Na podłkadkach izolujących, oczywiście.

[kolmen]

Może byś się rozwinął ?

[daris666]

Tzn tranzystor ma mieć obudowę z radiatora ?

[gucio.]

Podejrzewam że koledze chodzi o sposób montażu jak np w Musical Fidelity B1 lub podobnych

 

A więc jeżeli się nie mylę to z powodu ograniczeń jakie stawiają takie radiatory - powierzchnia i odprowadzenie ciepła .

[zjj_wwa]

Postaram się rozwinąć tą myśl nieco. Bob Cordell - Building Power Amplifiers, rozdział 14.3. - "Transistor Power Ratings" - podaje w tabeli 14.1 Oporność termiczną dla poszczególnych typów obudów tranzystorów.

Tabela

Typ obudowy || powierzchnia wymiany termicznej [mm] || Oporność cieplna podkładki standardowej [ Deg.C / Watt ] || Oporność cieplna podkładki kaptonowej [ Deg.C / Watt] :

TO-220 || 88mm2 || 2.00 C/W || 1.3 C/W

TO-247 || 183mm2 || 0.96 C/W || 0.64 C/W

TO-264 || 317mm2 || 0.56 C/W || 0.37 C/W

 

Podaje też w tekście ciekawą informację / kotwicę / punkt odniesienia. A mianowicie oporność cieplna pomiędzy obudową TO-247 do radiatora, ale **** BEZ **** podkładki termicznej, natomiast z odpowiednią pastą termiczną, wynosi jedynie 0.25 C/W. Można sobie oczywiście te wartości również przeliczyć (naprawdę polecam!) na "Oporność Cieplną Właściwą", czyli odniesioną np. do 1 centymetra kwadratowego powierzchni styku, wyrażoną w [ (C / W) * cm2]. W takim przypadku, dla rzeczonego TO-247, taka Oporność Cieplna Właściwa wyniosłaby 0.25 C/W * 183 mm2 = 0.25C/W * 1,83cm2 = 0,4575 (C/W) *cm2

Podobnie można przeliczyć pozycje z tabeli jak wyżej.

...

 

Z informacji przedstawionych przez Bob Cordell jak wyżej, wynika, iż jednym ze "słabszych ogniw" w ramach modelu termicznego tranzystora przymocowanego na radiatorze, to jest właśnie oporność termiczna stosowanej podkładki izolacyjnej. Widać to po jej mentalnym obsadzeniu/uzupełnieniu w ramach szerszego kontekstu ekwiwalentnego modelu SPICE, jak na rysunku 14.2., przytoczonego jak niżej:

a). Źródło "ciepła" czyli moc wydzielana na złączu złącza,

b). Pojemnośc termiczna struktury krzemu: 36000 uF [ wyrażona w ekwiwalentnych "Faradach", czy tak naprawdę w mikroJoule'ach / Deg C]

c). Rezystancja termiczna struktura krzemu ==> obudowa tranzystora: 0.63 C/W [ wyrażona w ekwiwalentnych ohmach, czyli tak naprawdę w Deg C / W ]

d). Pojemnośc termiczna obudowy tranzystora: 9F [ wyrażona w ekwiwalentnych "Faradach", czy tak naprawdę w Joule'ach / Deg C]

e). Rezystancja termiczna obudowa tranzystora ==> radiator: 0.96 C/W [ wyrażona w ekwiwalentnych ohmach, czyli tak naprawdę w Deg C / W ]

d). Pojemnośc termiczna radiatora: 960F [ wyrażona w ekwiwalentnych "Faradach", czy tak naprawdę w Joule'ach / Deg C]

e). Rezystancja termiczna radiator ==> Otoczenie_25_stopni_C: 1.3 C/W [ wyrażona w ekwiwalentnych ohmach, czyli tak naprawdę w Deg C / W ]

 

Spróbujmy teraz w okolicach podpunktu e). dorzucić do tego podkładkę izolacyjną (przykład z TO-247) o rezystancji termicznej np. 0.96 C/W.

Przestaje to fajnie wyglądać.

A symulacja SPICE to potwierdzi.

 

Więc teraz koncepcja jest taka:

 

ZAMIAST przykręcać tranzystor do RADIATORA na "podkładce" (która jest najsłabszym ogniwem), przykręćmy go do "RadiatorKA" ... w bezpośrednim sprzęgu galwaniczym, do RadiatorKA o pojemności termicznej około 10x wyższej jak pojemność obudowy tranzystora, czyli np. "96 Faradów" [ J / Deg C].

Załóżmy następnie, że gabaryty i kształt tego radiatora dobieramy w specjalny sposób, a mianowicie w taki sposób, aby jego spodnia powierzchnia styku z "RADIATOREM głównym" miała powierzchnię np. 10X większą jak aktywna powierzchnia wymiany termicznej naszego tranzystora. Czyli zamiast 183 mm2 niech to będzie np. 1830 mm2 = 18,3cm2 = np. 2,5cm x 7,32 cm.

 

Taki raster pozwoli, przy ustawieniu "pionowym" tych radiatorków, na zastosowanie w miarę normalnej płytki PCB, z "tradycyjnym" układem zrównoleglonych tranzystorów mocy rzędem obok siebie.

 

Zauważmy teraz, że jeśli damy podkładkę izolacyjną elektryczną, na całej powierzchni 18,3 cm2, to wtenczas osiągamy efekt jak następuje:

...

 

0,96 (C/W) * 1,83cm2 / 18,3 cm2 = 0,096 C/W.

A zatem, nasz "zoptymalizowany" model termiczny mógłby teraz wyglądać następująco:

 

a). Źródło "ciepła" czyli moc wydzielana na złączu złącza,

b). Pojemnośc termiczna struktury krzemu: 36000 uF [ mikroJ / Deg C]

c). Rezystancja termiczna struktura krzemu ==> obudowa tranzystora: 0.63 C/W [ Deg C / W ]

d). Pojemnośc termiczna obudowy tranzystora: 9F [ J / Deg C]

e). Rezystancja termiczna obudowa tranzystora ==> "radiatorEK", sprzęg galwaniczny/bezpośredni: 0.25 C/W [ Deg C / W ]

d). Pojemnośc termiczna radiatorKA: 96F [ J / Deg C]

e). Rezystancja termiczna obudowa RadiatorEK ==> RADIATOR: 0.096 C/W [ Deg C / W ]

d'). Pojemnośc termiczna RADIATORA: 960F [ J / Deg C]

e'). Rezystancja termiczna RADIATOR ==> Otoczenie_25_stopni_C: 1.3 C/W [ wyrażona w ekwiwalentnych ohmach, czyli tak naprawdę w Deg C / W ]

 

No i pytanie teraz do SPICE'owiczów ... czy taki model termiczny nie jest korzystniejszy względem tego, co się "zazwyczaj" stosuje, czyli tranzystor bezpośrednio do radiatora na małej podkładce izolującej ?

 

Przy montażu radiatorków - należy pamiętać, że "radiatorki" są w bezpośrednim sprzęgu elektrycznym z plecami tranzystora. Izolacja elektryczna względem RADIATORA głównego - następuje dopiero na styku RadiatorKA z RADIATOREM. Tam jest wielka podkładka izolacyjna o powierzchni np. 18,2 cm2.

 

Co o takim scenariuszu myślicie ?

 

Aha, jeszcze jedna uwaga: na serwisie aukcyjnym dostępne są czasem podkładki silikonowe sprzedawane w arkuszach, bodaj 10cm x ...cm - takie do 'samodzielnego wycinania'.

Takie arkusze można by użyć jako separację galwaniczną pomiędzy radiatorKIEM a RADIATOREM.

 

Ukryta Zawartość

Zaloguj się, aby zobaczyć treść.

Zaloguj się, aby zobaczyć treść (możliwe logowanie za pomocą )

Ukryta Zawartość

Zaloguj się, aby zobaczyć treść.

Zaloguj się, aby zobaczyć treść (możliwe logowanie za pomocą )

[zjj_wwa]

Tutaj - zmodyfikowany przeze mnie model termiczny Bob'a ...

Ukryta Zawartość

Zaloguj się, aby zobaczyć treść.

Zaloguj się, aby zobaczyć treść (możliwe logowanie za pomocą )

Ukryta Zawartość

Zaloguj się, aby zobaczyć treść.

Zaloguj się, aby zobaczyć treść (możliwe logowanie za pomocą )

[Grzegorz7]

Twoja propozycja dotyczy de facto zwiększenia obudowy elementu czynnego (tranzystora).

Z różnych względów obudowy są jakie są.

Zwróć uwagę na rezystancję termiczną pomiędzy strukturą półprzewodnikową a obudową elementu (j-c). Ta pozostanie wąskim gardłem niezależnie od zwiększania powierzchni obudowy (powierzchnia struktury jest związana z jej parametrami mocowymi).

 

Wiele podzespołów energoelektroniki ma bardzo duże powierzchnie "termiczne".

 

Z ciekawostek: diament ma znakomitą przewodność termiczną. Grafen miałby mieć zastosowanie jako podkład pod strukturę z podobnych względów. Miałoby to podnieść wydolność termiczną kilkukrotnie.

 

Z życia: Polecam podkładki ceramiczne (bodaj tlenek glinu) pod tranzystory.

[zjj_wwa]

A tutaj przedstawiam, po przeliczeniu nowych wartości stałych czasowych, oraz dodaniu stałej czasowej "radiatorka" - jak mógłby w moim wyobrażeniu przedstawiać się korzystniejszy przebieg log czasowej charakterystyki nagrzewania układu ...

Obszar żółty wskazuje obszar "szybszego reagowania" temperatury struktury krzemowej, oraz lepsze "nadążanie" radiatorka za jej zmianami, ale również, w ostatecznym rozrachunku, możliwość osiągnięcia niższej całkowitej temperatury tej struktury krzemowej.

Co więcej, z racji na mniejszą rezystancję termiczną pomiędzy obudową tranzystora a radiatorkiem, oraz jego niewygórowaną pojemność termiczną, umieszczenie czujnika temperatury obwodu kompensacji temperaturowej biasu będzie skutkowało "szybszym" reagowaniem tego czujnika temperatury na zmiany temperatury obudowy tranzystora. Narzędzie rysunkowe użyłem bardzo podstawowe - chodziło mi bardziej o "przedstawienie koncepcji". Do dyskusji.

Ukryta Zawartość

Zaloguj się, aby zobaczyć treść.

Zaloguj się, aby zobaczyć treść (możliwe logowanie za pomocą )

Ukryta Zawartość

Zaloguj się, aby zobaczyć treść.

Zaloguj się, aby zobaczyć treść (możliwe logowanie za pomocą )

[Gość traxman]

Nie ma tak tragicznie, ceramika się rozwija. Jeżeli trzeba mocno obciążyć cieplnie tranzystor, to mocuje się go do pięknie wypolerowanej podkładki miedzianej, a następnie poprzez izolację do właściwego radiatora. Ułatwia to odprowadzenie ciepła szczególnie gdy powstaje impulsowo. Można spotkać to w UPS, falownikach itp. A jak rzeczywiście trzeba sporo oddać to TO247 nie jest najlepszym wyborem.

[zjj_wwa]

Zwróć uwagę na rezystancję termiczną pomiędzy strukturą półprzewodnikową a obudową elementu (j-c). Ta pozostanie wąskim gardłem niezależnie od zwiększania powierzchni obudowy (powierzchnia struktury jest związana z jej parametrami mocowymi).

...

Wiele podzespołów energoelektroniki ma bardzo duże powierzchnie "termiczne".

 

Doskonale rozumiem. Niestety nie mamy żadnego wpływu na tą pierwszą rezystancję termiczną, o najkrótszej stałej czasowej, czyli pomiędzy strukturą półprzewodnikową a obudową elementu (j-c). Ta w przedstawionym scenariuszu impulsu diraka z rozpoczęciem grzania stałą mocą rzędu 40W daje nam "na dzień dobry" odjazd temperatury struktury krzemowej względem "obudowa elementu" rzędu 50 stopni C.

 

Natomiast moje rozważania dotyczą obszarów, na które możemy próbować wpływać i jakoś optymalizować, czyli wszystko "dalej" od obudowy elementu ...

 

Czy ktoś na forum próbował stosować elementy przeznaczone dla elektroenergetyki jako elementy końcówki mocy? Czy są jakies przeciwwskazania? Czy niedoskonałości tych elementów można próbować korygować (w razie ich zastosowania) jakąś szybką lokalną pętlą w ramach samej końcówki, i/lub korekcją Hawksforda (HEC)?

Tak tylko głośno gdybam ...

[Gość traxman]

Kiedyś był projekt wzmacniacza na IGBT. Przemysłowe tranzystory z racji ścisłych zastosowań mogą się nie przydać, bo to albo mostki, albo półmostki i w zasadzie jednej polaryzacji - nie widziałem komplementarnych niezależnie od technologii. Do estradowego może by przeszły, (np. trójfazowy pełny mostek), ale do domu chyba niezbyt, chociażby z racji ceny.

[Grzegorz7]

Doskonale rozumiem. Niestety nie mamy żadnego wpływu na tą pierwszą rezystancję termiczną, o najkrótszej stałej czasowej, ...

Wiem, że rozumiesz.

Ale chciałeś dyskusji.

 

W ogóle to dobrze, że przedstawiłeś ten temat.

Wartościowy jest zwłaszcza ten rysunek charakterystyki grzania.

 

Nieco zwięźlej to opisać, więcej obudów i powinien być to materiał wiedzy (bez komentowania, wcześniej poddany weryfikacji, rzecz jasna) na Forum.

[Gość stary bej]

Radiator własny tranzystora + podkładka izolacyjna + "umasiony" radiator = kondensator.

[zjj_wwa]

Radiator własny tranzystora + podkładka izolacyjna + "umasiony" radiator = kondensator.

Miało być dobrze, a wyszło jak zwykle ?

Czy dobrze przypuszczam, iż zazwyczaj to kolektor/dren jest wyprowadzony na tylne plecy obudowy tranzystora (np. Sanken 2sc3858, IRF520 ... )

W takim razie to byłby np. kondensator pomiędzy kolektorem a masą .... przy takim scenariuszu - to chyba nie przeszkadza ?

[Grzegorz7]

Zależy od konfiguracji stopnia.

W układzie OC, OD teoretycznie nie. Ale stopnie mocy bywają niekomplementarne, wówczas druga gałąź...

A i takie niekontrolowane "odsprzęganie" może sprawić kłopoty (wzbudzenia).

[zjj_wwa]

Zależy od konfiguracji stopnia.

W układzie OC, OD teoretycznie nie. Ale stopnie mocy bywają niekomplementarne, wówczas druga gałąź...

A i takie niekontrolowane "odsprzęganie" może sprawić kłopoty (wzbudzenia).

Jak nie stanie - pupa z tyłu.

[Grzegorz7]

Pół biedy jak radiator zasadniczy jest mały i na potencjale masy (której; sygnałowej (pobranej z jakiego miejsca), zasilania...).

Ale bywa, że solidny radiator to potencjał chassis albo i konstrukcji zewnętrznej...

[Gość stary bej]

Ja zlikwidowałem problem tworzenia się tego typu "kondensatora".

Ale u mnie pracują źródła mosfetów bezpośrednio na masę ...radiatora (vampiria, pat-mos), dlatego ze względów sonicznych i na "sprzyjający" układ wyprowadzeń(GSD) użyłem tranzystorów Hitachi - 2sj162/2sk1058.

Ich środkowy pin jest zarazem radiatorem tranzystora i jego źródłem(S) - przykręcam je bez jakichkolwiek podkładek izolacyjnych, ale na to pozwala aplikacja wzmacniacza.

W przypadku stosowania innych tranzystorów i innych aplikacji układowych może zaistnieć problem z tą niechcianą pojemnością.

Ludzie po prostu nie zdają sobie sprawy, że taka się tworzy i zaczynają "cudować" z układem.

[zjj_wwa]

Wiem !

Ten mały "radiatorek" będący przedłużeniem obudowy indywidualnego tranzystora powinien być wykonany z płaskownika z miedzi elektrolitycznej.

Cięty z profilu prostokątnego 2,5 x 1,5 ...

Np. taka kostka 1,0 cm x 2,5 cm x 8,0 cm.

Przewodność cieplna

miedź: od 370 do 400 [W/m*K]

Stopy aluminium: 200 [W/m*K].

Jest dobry sklep w Warszawie, np. w okolicach Wólczyńskiej, gdzie mają tego typu różne profile z metali kolorowych.

Jest też wysyłkowo, np. hart-metale.pl ...

 

Ceny nie powinny być zaporowe, bo raptem kilka takich kostek, niewielkich rozmiarów, pod stosowną liczbę par tranzystorów mocy trzeba przyciąć ...

 

Główny radiator, ten już za podkładką izolacyjną, to oczywiście tradycyjny wielki z aluminum.

 

Ukryta Zawartość

Zaloguj się, aby zobaczyć treść.

Zaloguj się, aby zobaczyć treść (możliwe logowanie za pomocą )

Ukryta Zawartość

Zaloguj się, aby zobaczyć treść.

Zaloguj się, aby zobaczyć treść (możliwe logowanie za pomocą )

[kolmen]

A po jakiego diabła taki gruby ? :)

Ja daję max 5 mm grubości

[Grzegorz7]

A równa i gładka ta szyna w ogóle jest?

[zjj_wwa]

Gruby może więcej ?

:)

No a czy równa i gładka ... hmmm ... wysyłkowo chyba bym się chyba raczej jednak nie odważył kupować.

Raczej bym poszedł to hurtowni i sobie wybrał taką, która mi pasuje.

Potem i tak jakieś polerowanko papierem granulacji 1000 ... (?)

 

Ale tak jak w 'innym życiu' kupowaliśmy i obrabialiśmy szynoprzewody miedziane (kilkaset / kilka tysięcy amper),

to raczej równe i gładkie były. Ba! Lśniły jak pupcia niemowlaka ... Chyba tam na Wólczyńskiej w Warszawie kupowane.